失效分析-1

失效分析一失效分析术语•1、失效（故障）：产品丧失规定的功能（不可修复）。•2、故障：产品丧失部分规定的功能，但是可以修复。•3、失效分析：判断失效产品的失效模式，查找产品失效机理和原因，提出预防再失效的技术活动和管理活动。•4、规定功能：是指国家法规、质量标准以及合同等规定的对产品适用、安全及其特殊的要求。•5、失效模式：是指失效的外在宏观表现形式和过程规律。•6、失效机理：是指失效件的物理、化学变化的本质及微观（可以追溯到原子、分子）尺度和结构的变化，以及与此相对应的一系列宏观的性能、性质变化和联系。二失效分析程序•失效分析一般按如下步骤进行：•失效现场信息调查——失效件相关情况调查——制定失效分析计划——几何尺寸检查——外观检查——失效件断口分析——化学元素成分分析——力学性能检查——显微组织分析——模拟再现试验——分析讨论——改进措施——改进后的效果验证、写出失效分析报告。•调查现场失效信息是失效分析的第一步，它是整个失效分析工作的基础，也是逻辑推理的必要前提。•一般以机械失效现场为出发点，细致、客观、全面、系统地观察、收集失效对象、失效现象、失效环境等现场失效信息以获得真实、可靠的感性材料。如：路况、行驶速度、载重、天气、事故现场状况等。1、调查现场失效信息2、失效件相关情况调查1）了解工件所用材料、冷、热加工工艺及实际操作等；2）了解工件图纸：设计结构、性能、硬度、显微组织等技术指标；3）了解工件的装配结构，组配件的关系，机器的运行工况，服役状态下的受力情况，工作环境温度、介质条件；4）涉及零件配偶副损坏时，必须了解其相对配偶副情况。5）使用操作维护是否正常等。3、制定失效分析方案•根据了解到的失效件及失效过程的相关资料，作出初步的判断，拟订针对性的分析方案，选定必要的试验项目和试验内容（包括取样部位、取样方法等），这样对失效分析的顺利进行和分析结果的正确性是十分有益的。4、试验分析过程•1）外观检查•①观察整个零件的变形情况、表面情况。看损坏的零件有否弯曲、有否变形、有否颈缩以及断裂裂纹发展方向等。以初步判断零件工作过程中的受力方向、应力状态，进而初步推断导致失效的几种可能性。•②观察零件表面冷热加工质量。观察零件表面有无过烧折迭、斑疤裂纹等加热工缺陷，有无机加工刀痕、刮伤、划痕等机加工缺陷。•③对断裂失效的零件，应观察断裂部位是否在键槽、油孔、尖角、加工深刀痕、凹痕等应力集中处。•④观察零件是否有腐蚀、磨损、接触疲劳麻坑等缺陷，以及其配偶副的相应情况。•⑤观察零件断口或裂纹形貌分析及分布情况等。2）尺寸检查•对失效（故障）件及相关组件进行几何尺寸检查，以判断是否符合图纸要求，是否存在塑性变形、磨损变形等，以及对失效过程的影响。3）断口分析•①宏观分析：用肉眼、低倍放大镜、实体显微镜（体视显微镜）从各个角度全面观察断口纹理特征和整体形貌，从而对断口区域进行划分以及判断其断裂机制。注意妥善保持住断口的形貌，避免锈蚀、沾污碰毛。②微观分析•用SEM（扫描电镜）或TEM（透射电镜）观察微观断口的形貌，以判断断裂失效机制。如：解理断裂的“河流状花样”，范性断裂的“韧窝”，疲劳断裂的“辉纹”等。•另外配合能谱分析仪还可以对断口的微区成分进行分析，以判断是否存在夹杂物、成分偏析等缺陷。4）化学分析•采用化学方法，光谱分析等手段，鉴定零件用材成分是否符合要求，必要时做微量有害元素分析或微区电子探针分析，以配合相分析工作。•①低倍组织分析：通常，用肉眼或低倍放大镜检查酸蚀（或碱蚀）金属试片表面（断口）的宏观组织的方法。•检查项目：锻件流线，疏松、缩孔、裂纹、夹杂、偏析等宏观缺陷。5）金相分析（组织分析）•利用光学显微镜（或电子显微镜）来观察和研究金属材料显微组织结构及分布的试验方法。习惯上又叫高倍检查。是检查金属材料质量的好坏、热处理工艺质量评定的最直观、最准确的方法。•例如：材料显微基体组织、中夹杂物含量、分布。化学热处理渗层深度，渗层组织等。②显微组织分析•利用材料试验设备（拉力试验机、冲击试验机、硬度试验机等）来测试金属材料的性能值的试验，以鉴定其有关力学性能指标。•例如测试：σb－抗拉强度、σS－屈服强度、δ－伸长率、ψ－断面收缩率、αK－冲击韧性、HB－布氏硬度等6）力学性能检查7）无损探伤•主要有磁粉探伤、着色探伤、荧光探伤、X射线探伤、超声波探伤、涡流探伤。•①磁粉探伤（荧光探伤）：一般磁粉探伤只能检查表层2-3mm以内的缺陷。•②着色探伤：但是着色探伤灵敏度稍差。•③X射线探伤：应用X射线（或γ射线）透视或透照的方法来检验成品或半成品中的宏观缺陷。•例如检查高密度夹杂、低密度夹杂、裂纹等•④超声波探伤•能引起人发的听觉的波频率为20～16000Hz，超声波－高于频率20000Hz的机械波，探伤超声波频率是0.5～20MHz。•⑤涡流探伤：由于电磁感应，在试样中产生涡流，形成涡流磁场Hs，涡流磁场与线圈磁场相互作用，又使线圈的阻抗发生变化，线圈的阻抗的变化与试样的性能、尺寸及缺陷等有关，根据线圈的阻抗的变化来判断缺陷的性质的方法。•模拟再现试验是对失效件痕迹的再现试验。根据已有的调查情况、试验分析结果，对失效件的失效模式有初步的判定后才进行；即用同型号的或已使用过的工件，模拟与失效件相同或类似的工况（装配方式、受力状况、工作环境）来进行模拟再现试验。这项工作有时难度较大，有必要时才进行。8）模拟再现试验•根据调查情况、试验分析及模拟试验结果，运用逻辑推理（归纳推理、演绎推理、类比推理）综合分析失效的原因。5、分析讨论•失效分析的最终目的是要针对失效原因，提出改进和提高机械产品质量的各种措施，并能够按这些措施进行试生产验证，然后写出失效分析报告。6、改进措施及写出失效分析报告•对改进后的试验性小批产品装机进行实际运行考验，如果运行正常，说明改进措施是切实可行的、有效的。反之，必须及时调整试验方法，重新认识失效过程，直至改进和提高产品质量为止。7、效果验证三机械失效分类•1、机械断裂分类•按断裂性质：塑性断裂、脆性断裂、混合型断裂、疲劳断裂。•按断裂路径：穿晶断裂、沿晶断裂、混合型断裂。•按断裂机制：解理、准解理、韧窝、划移分离、沿晶及疲劳氢脆断裂等。2、断口三要素钢的光滑试样室温拉伸、冲击断口，通常可分为三个宏观特区，即纤维区、放射区和剪切唇区（最后断裂区），这就是宏观断口三要素。纤维区：位于断口中央，是材料处于平面应变状态下发生的断裂，呈粗糙的纤维状，断裂在该区形核。放射区：该区紧接纤维区，是裂纹由缓慢扩展向快速的不稳定扩展转化的标志，特征是放射线花样。放射线的发散方向为裂纹扩展方向。剪切唇区：该区紧接纤维区，为最后断裂区。剪切唇区断口较光滑，与拉伸轴向呈45°，属切断型断裂。它是在平面应力状态下发生的快速不稳定扩展。3、塑性断裂当工件所受的实际应力大于材料的屈服强度时，将产生塑性变形，应力进一步增大就会产生断裂，称为韧性或塑性断裂。宏观断口特征：断口附近有明显的宏观变形，断口表面粗造呈暗灰色，一般可分为三个特征区－即纤维区、放射区和剪切唇区。•韧窝花样（见图1）、蛇形滑动、滑移痕迹、涟波花样、延伸花样。韧窝越深，平均直径越大，材料韧性越好。微观断口特征图145钢调质齿轮断口X2004、脆性断裂指断裂时没有明显的塑性变形的断裂形式。塑性材料的脆断必须存在以下因素：应力集中，拉应力，温度低，对脆性敏感的钢等。1）解理断裂•金属在拉应力的作用下沿一定的晶面（即解理面）发生的断裂。•宏观特征：放射状条纹、人字花样、刻面。•微观特征：解理台阶、河流花样（见图2）、舌状花样。图220钢管断口X25002）准解理断裂•介于解理断裂与韧性断裂之间的断裂。•宏观特征：无明显的塑性变形、放射状条纹。•微观特征：河流花样+韧窝花样（见图3）、舌状花样、撕裂棱。图320CrMo齿轮断口X10003）沿晶断裂•是多晶体沿不同取向的晶粒所形成的沿晶界面分离，即沿晶界发生的断裂现象。•宏观特征：无塑性变形、颗粒状。•微观特征：岩石状、冰糖块状（图4、图5所示）。•产生原因：a：过热、过烧（晶界沉淀相析出），b：回火脆（杂质元素在晶界偏聚），c：应力腐蚀，d：氢脆（氢脆断裂氢脆断裂在高强度钢中发生较多，易在电镀、酸洗中造成，是由于氢离子被还原并扩散到基体中产生破坏），e：液体金属脆。图4SUH38排气门断口X1000图545钢淬火裂纹断口X10005、疲劳断裂•疲劳断裂：材料（构件）在交变应力反复作用下发生的断裂。所谓交变应力是指应力的大小、方向都随时间作周期性改变的应力。这种改变可以是规律性的或不完全规律性的。•常见的疲劳断裂有：高周疲劳、低周疲劳、接触疲劳、腐蚀疲劳、热疲劳、微动疲劳等1）高周疲劳•循环周次N≥104~105，应力水平低。•宏观断口特征：裂纹源区有台阶条纹（见图6），扩展区有贝纹线（见图7），瞬断区（为快速断裂区）断裂方向有改变。•微观特征：疲劳辉纹（见图8、图9）。宏观断口特征图6裂纹源区断口X20图7裂纹扩展区断口X25微观断口特征图820钢疲劳辉纹X3000图920钢疲劳辉纹X3000•2）低周疲劳•循环周次N＜104~105，应力水平高，一般在σ0.2附近。•宏观特征：多源区，扩展区有贝纹线，瞬断区（为快速断裂区）断裂方向有改变。•微观特征：轮胎花样、韧窝或准解理的花样。•3）接触疲劳•由接触应力作用引起的疲劳破坏。宏观特征：如齿轮、轴承点蚀等，微观特征：疲劳辉纹、准解理等•4）腐蚀疲劳•零件在交变应力和环境介质同时作用下出现的疲劳损伤。宏观特征：多源；微观特征：腐蚀特征及疲劳辉纹。5）微动疲劳•两个零件相互匹配接触面发生微动磨损的条件下受交变载荷作用而发生的疲劳损伤。微动疲劳的过程是微动磨损、氧化及腐蚀、交变应力三者综合作用的过程。•微动磨损－两个名义上静止配合表面由于一微小的不断往复滑动所引起的一种磨损形式。微动疲劳宏观形貌图10曲轴表面粘着磨损形貌图11曲轴微动疲劳断口6、腐蚀失效•腐蚀失效有：均匀腐蚀、点腐蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀、电偶腐蚀、应力腐蚀等。•1）均匀腐蚀：指在整个零件表面上比较均匀的方式所发生的腐蚀现象。特征是厚度逐渐变薄，甚至腐蚀穿透。•2）点腐蚀：钝化型金属在某些特定区在腐蚀介质作用下表面钝化膜被破坏而又缺乏自钝化条件，即在钝化膜被破坏区发生点坑状的腐蚀•3）晶间腐蚀：沿材料晶界发生的腐蚀为晶间腐蚀。如不锈钢由于晶界贫Cr，在腐蚀介质作用下产生晶间腐蚀。•4）缝隙腐蚀：在金属与金属或金属与非金属表面的缝隙处，由于溶液移动受阻，腐蚀性离子停留而发生类似于点腐蚀的局部腐蚀，如铆钉、螺栓等。•5）电偶腐蚀：由于不同金属电位不同构成微电池，腐蚀发生在电极电位低的阳极上，即为电偶腐蚀，也称电位腐蚀。•6）应力腐蚀：在应力与腐蚀介质联合作用下发生的脆性开裂称为应力腐蚀。7、磨损失效•相互接触并作相对运动的物体，由于机械作用所造成的材料位移及分离的破坏形式称为磨损失效。•1）粘着磨损•当两表面在载荷作用下，其载荷集中在微凸体接触的较小面积上，其实真实的接触应力极高，因而产生冷焊现象，局部瞬时粘接在一起。在外应力作用下，粘接点将断裂。如活塞环与汽缸套、轴瓦与轴颈、蜗轮与蜗杆等。•2）磨粒磨损•材料与硬颗粒（磨粒）或与耦合件表面作相对运动所造成的材料位移或分离，称为磨粒磨损。磨粒磨损是磨粒对材料主要是一种切削作用。对韧性材料与较尖锐颗粒，工件表面出现沟槽；如颗粒较钝，易产生犁沟现象（如制动盘磨损）。•3）接触疲劳磨损（与前面接触疲劳相同）四对失效分析人员的要求•失效分析人员在实践中逐步培养，应具备以下素质：•1、求实的精神，在任何情况下都要坚持实事求是，用事实说话，坚持真理修正错误。•2、敏锐的观察力和熟练的分析技术，善于使用先进的分析仪器、手段捕捉失效的信息和证据。•3、正确的失效分析思路良好的失效模式、失效原因判断能力，要有“医生的思路，侦探的技巧”•4、善于向书本学习、向实践学习、向同行学习。•5、要有扎实的专业基础知识和广泛的知识面。•谢谢大家•质量中心张品德